….Im Ruhrgebiet bremsten hingegen stagnierende Bevölkerungszahlen und Deindustrialisierung den dortigen Temperaturanstieg etwas. Aus Stationsvergleichen des DWD- Netzes konnte ein zusätzlicher, großstadtbedingter WI- Effekt von 0,4 bis 0,8 K ermittelt werden. Trotz meist sinkender Einwohnerzahlen und eher mäßiger Wirtschaftsentwicklung bescherte eine überdurchschnittliche Bautätigkeit (Verkehrsinfrastruktur, großflächige Handelseinrichtungen, touristische Erschließung) auch Ostdeutschland wesentliche, WI- bedingte Erwärmungseffekte. In weiteren Folgen dieser Untersuchungsreihe wird sich aber zeigen, dass es noch mehr wesentliche Erwärmungsursachen gab und diese sich teilweise bedingt haben.

Einführung

Im Rahmen einer Untersuchung aus dem Jahr 2012 hatten wir anhand der Station Erfurt- Bindersleben gezeigt, dass die in den vergangenen 3 Jahrzehnten beobachtete Erwärmung mehrere Ursachen hatte, von denen die Zunahme der Sonnenscheindauer/Sonnenaktivität sowie durch geänderte Flächennutzung und zunehmende Bebauung bedingte Effekte (im Folgenden der Einfachheit halber WI- Effekt genannt, WI = Wärmeinsel) den größten Erwärmungsbeitrag, ausschließlich auf Erfurt bezogen, leisteten. Doch auch Schwankungen der Zirkulationsverhältnisse (Großwetterlagen, NAO), die ihrerseits in solaren Ereignissen ihren Ursprung haben, verursachten einen gewissen „Erwärmungseffekt“. Die Erwärmung verlief nicht gleichmäßig. Einem besonders raschen Temperaturanstieg um 1988/1990 folgte noch eine leichte Erwärmung bis etwa 2000, danach stagnierten die Temperaturen auf hohem Niveau, beziehungsweise sanken sogar wieder leicht. Im Folgenden soll die Ursachenforschung unter Einbeziehung weiterer Stationen, Daten zur Sonnenscheindauer, den Großwetterlagen, der Sonnenaktivität und weiterer Faktoren vertieft werden.

Teil 1- Der Temperaturverlauf seit 1980 in Deutschland und der WI- Effekt als eine wichtige Ursache

Abb. 1: Die Grafik verwendet die Original- Daten des Deutschen Wetterdienstes. Diese sind noch nicht WI- bereinigt. Im Betrachtungszeitraum beträgt der WI der deutschen Stationen etwa 0,5 GradC. Trotzdem würde auch nach einer WI- Bereinigung der DWD-Daten noch ein leichtes Wärmeplus über die letzten 33 Jahre bleiben; doch seit den mittleren 2000er Jahren geht’s wieder bergab. Anmerkung: Die „Deutschland- Temperatur“ ist eine Rechengröße (arithmetisches Mittel der einzelnen Stationen). Bei solchen Mittelwertbildungen wird stets ausgeblendet, dass jeder Ort sein eigenes Klima hat. Daher sollten derartige Betrachtungen stets im Zusammenhang mit einzelnen Stationsdaten erfolgen, um regionale Unterschiede zu erkennen.
Für den Zeitraum seit 1980 sind noch am ehesten Daten verfügbar, und er ist den meisten Lesern sicher am besten im Gedächtnis geblieben. Die Datenbeschaffung für diese und alle folgenden Auswertungen war nicht ganz einfach, und die Qualität der Daten dürfte aufgrund der sehr verschiedenen Quellen (DWD, Wikipedia, PIK Potsdam, Berliner Wetterkarte, Wettermagazin, Wetteronline, Wetterkontor, Meteorologischer Dienst der DDR, Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg) sowie dem Wechsel der Messinstrumente und der Erfassungszeiten keinesfalls immer gleichwertig sein. Trotzdem liefert die Auswertung erstaunliche Ergebnisse.
Die Temperaturentwicklung verschiedener Stationen im Vergleich- große Unterschiede!
Die folgende Abbildung zeigt die Entwicklung der Jahresmitteltemperaturen an 6 gut über das Bundesgebiet verteilten Stationen:

Abb. 2: Düsseldorf (Rot), Offenbach (Gelb), Helgoland (Blauviolett), Nürnberg (Grün), Potsdam (Dunkelrosa) und Erfurt (Hellblau) im Vergleich.
Anmerkung: Der „Lineare“ Trend täuscht einen mehr oder weniger starken Temperaturanstieg über den ganzen Zeitraum vor, der aber nach dem Jahr 2000 in Stagnation bis leichten Rückgang übergegangen ist.
Bevor wir dies veranschaulichen, wollen wir das recht unterschiedliche Verhalten diskutieren. Offenbach „überholt“ Düsseldorf, während Nürnberg zurückbleibt, sogar hinter Potsdam zurückfällt, und sich die Anstiege von Helgoland, Potsdam, Erfurt und Brocken (aus gestalterischen Gründen hier nicht abgebildet, da wesentlich kälter als die gezeigten 6 Stationen und schwer in derselben Abbildung darstellbar) ähneln. Da uns der enorme Temperaturanstieg in Offenbach (gut 0,6 K/Jahrzehnt, etwa doppelt soviel wie in Nürnberg und Düsseldorf, fast doppelt soviel wie im Deutschlandmittel!) erklärungsbedürftig erschien, haben wir zur Verifizierung die nicht weit entfernte Station Frankfurt/Main (Flughafen) zusätzlich ausgewertet. Es zeigte sich, dass deren Temperaturverlauf den in Offenbach bestätigt; der Anstieg war in Frankfurt mit 0,66K/Jahrzehnt sogar noch geringfügig größer. Spätestens an dieser Stelle kommen Verfechter einer vorrangig durch CO2 verursachten Erwärmung in erste Erklärungsnöte, denn es ist auszuschließen, dass sich der CO2-Backgroundlevel, der sich in den CO2-Messdaten widerspiegelt, über einen Betrachtungszeitraum von 32 Jahren regional in Deutschland sehr unterschiedlich erhöht hat. Und hätte ein übergeordneter, Erwärmungsantrieb, beispielsweise durch CO2, die Dominanz, so hätten sich nach dem Strahlungsgesetz von PLANCK die kältesten Stationen Brocken, Erfurt, Nürnberg und Potsdam deutlich schneller erwärmen müssen, als das von Natur aus ohnehin schon warme Offenbach. Wesentlich plausibler ist hingegen eine andere Annahme, die vor allem die stärkere Erwärmung von Offenbach (Rhein- Main- Gebiet) gegenüber Düsseldorf (Ruhrgebiet) erklärt- der WI- Effekt. Wie schon in zahlreichen früheren Beiträgen erläutert (MALBERG 2009, LEISTENSCHNEIDER, KOWATSCH, KÄMPFE 2010 bis 2012), bewirken zunehmende Bebauung, Besiedlung, geänderte Landnutzung und zahlreiche künstliche Wärmequellen wie Verkehr, Industrie oder Heizungen, eine Erwärmung, die in Gebieten mit stark zunehmender Bebauung und hoher Bevölkerungsdichte besonders markant ausfällt. Somit ist es sehr wahrscheinlich, dass WI- Effekte in der Rhein- Main- Region besonders stark temperaturwirksam wurden. Diese Tatsache erklärt den stärkeren Temperaturanstieg von Offenbach gegenüber Düsseldorf auch deshalb, weil die Bevölkerungsentwicklung ein wichtiger Indikator für den WI- Effekt ist (steigende Einwohnerzahlen wirken erwärmend).

Abb. 3: Entwicklung der Einwohnerzahlen (Quelle: Wikipedia) in Offenbach (Gelb), Nürnberg (Grün) und Düsseldorf (Rot). Weil der WI- Effekt nicht nur unmittelbar am Standort selbst wirkt, sondern auch von benachbarten Regionen „eingetragen“ wird, sind hier wichtige, in der Nähe gelegene Städte (dünne, gelbe Linie Frankfurt/Main, 2 dünne, rote Linien Essen und Dortmund), mit dargestellt. Während die Bevölkerungszahl im Rhein- Main- Gebiet kontinuierlich stieg, besonders auch im letzten Jahrzehnt, sank sie in Düsseldorf bis 2000 deutlich, danach stieg sie wieder geringfügig, während sie aber in den Ruhrgebietsstädten Dortmund und Essen weiter fiel. In Nürnberg schwankte sie bis 2000 um die 490.000 und stieg dann im letzten Jahrzehnt deutlich.
Anmerkung: In den ostdeutschen Großstädten sind die Einwohnerzahlen zwar teilweise gestiegen, so auch in Erfurt. Allerdings verdeckten hier großflächige Eingemeindungen (Gebietsreform in Thüringen 1993/94) teils erhebliche Bevölkerungsrückgänge, so dass die für die Quantifizierung des WI- Effekts viel besser geeigneten Einwohnerzahlen pro km² reell dort wohl meist gesunken sind. Leider sind zeitliche längerfristige Entwicklungen von Einwohnerzahlen/km² kaum verfügbar, und frühere Gebietsreformen und Eingemeindungen verfälschen leider fast überall die Zahlen.
Offenbach und das Rhein- Main- Gebiet gehören aber zu den wenigen Regionen mit reell steigenden Einwohnerzahlen in Deutschland; die Einwohnerzahlen sind dort beispielsweise seit 2000 jährlich um etwa 1% gestiegen (zahlreiche Quellen, zum Beispiel M. BÖSS, 2009). Von den 3 Städten mit einigermaßen verlässlicher Datenlage zur Bevölkerungsentwicklung weist Offenbach daher auch folgerichtig die größte Bevölkerungszunahme auf:

Abb. 4: Während die Einwohnerzahl in Düsseldorf im Vergleich zu 1980 nur geringfügig zunahm, liegt Nürnberg im Mittelfeld, während Offenbach mit reichlich 10% einen regelrechten Boom erlebte.
Dabei ist zu beachten, dass die WI- bedingte Erwärmung nicht immer linear der Bevölkerungszunahme folgen muss; der Zusammenhang kann auch den Ertragsgesetzen ähneln. Der bekannte Klimawissenschaftler, Dr. Spencer hat dies in seiner Arbeit “ The Global Average Urban Heat Island Effect in 2000 Estimated from Station Temperatures and Population Density Data“ nachweisen können, aus dem die folgende Abbildung stammt.

Abb. 5: In seiner Veröffentlichung vom 03. März 2010 berichtet der bekannte Physiker und Klimawissenschaftler Dr. Roy Spencer, dass die Auswirkungen des Wärmeinseleffekts von der Besiedlungsdichte abhängen. Bei Änderungen von geringen Bevölkerungsdichten ist dieser proportional am stärksten, d.h. hier tritt die größte Erwärmung auf.
Das heißt, in unbesiedelten oder sehr dünn besiedelten Regionen bewirken beispielsweise 1000 Einwohner Zuzug  eine viel größere Erwärmung als in klimatisch ähnlichen, gleich großen, aber bereits dicht besiedelten Regionen (Sättigungsgesetz). Für europäische und nordamerikanische Städte hat OKE (1973) Formeln aufgestellt, welche die maximale, momentane Erwärmung (T) einer Stadt im Vergleich zu ihrem ländlichen Umland in Bezug zur städtischen Einwohnerzahl (P) setzen. Allerdings erlauben derartige Formeln bestenfalls sehr grobe Abschätzungen. Nordamerikanische Großstädte erwärmen sich in der Regel um einige Grad mehr als vergleichbare in Europa und damit auch in Deutschland.
Europa: ΔTu – r(max) = 2.01 log10(P) – 4.06
Nordamerika: ΔTu – r(max) = 2.96 log10(P) – 6.41.  Die folgende Abbildung veranschaulicht nochmals diesen Zusammenhang:

Abb. 6: Degressiver Zusammenhang zwischen steigender Einwohnerzahl und Oberflächentemperatur (obere, durchgezogene Linie)
Im Gegensatz zum boomenden Offenbach und zum gesamten Rhein- Main- Gebiet stagnieren die Einwohnerzahlen des Ruhrgebiets seit Jahrzehnten oder sind gar leicht rückläufig:

Abb.7: Bevölkerungsentwicklung im Ruhrgebiet
Quelle: Grafik Sven Sendfeld/ Daten KVR 2002
Es muss aber betont werden, dass Bevölkerungsänderungen nur einen Teil des WI- Effekts verursachen. Um den Einfluss der Bevölkerungszahlen und Besiedlungsdichte auf die Temperaturen in Deutschland einmal grob abzuschätzen, haben wir einen Vergleich durchgeführt. Dabei wurden 5 Stationen, die dörflich sind oder in der Nähe von nur mittelgroßen Städten von etwa 40.000 bis 80.000 Einwohnern und Einwohnerdichten von deutlich unter 1000EW/Km² liegen, mit 5 anderen Stationen in nahezu identischer Höhenlage und geografischer Breite verglichen, die aber in deutlich weniger als 10Km Entfernung zum Rand von dicht besiedelten Großstädten (>1000EW/Km²) liegen. Zwei dieser 5 großstädtisch beeinflussten Stationen, nämlich das mit Abstand wärmste Leverkusen und das gleich dahinter folgende Duisburg- Friemarsheim, liegen sogar mitten in Großstädten. Alle 10 Einzelstationen gehören dem Binnenland- Klima im nordwestdeutschen Tiefland an; jede der beiden Gruppen weist durchschnittliche Höhenlagen von knapp 50 Metern auf. Verfügbar waren die Jahresmitteltemperaturen der Jahre 1999 bis 2004 (Quelle: DWD, Witterungsreport). Es wurden die arithmetischen Temperaturmittelwerte der beiden Fünfergruppen gebildet; ihr Jahresgang ist in der Abbildung 8 dargestellt:

Abb. 8: Gang der Mittelwerte aus den 5 Großstadt- beeinflussten Stationen (Orange) Leverkusen (44m), Duisburg- Friemarsheim (31m), Tönisvorst bei Krefeld (39m), Düsseldorf (Flughafen, 37m) und Köln- Bonn (Flughafen, 92m) mit denen der 5 mittelstädtischen bis ländlichen, dünner besiedelten Nachbar- Stationen (Blaugrün) Kleve (46m), Bocholt (21m), Lingen (Ems, 24m), Lippstadt- Bökenförde (92m) und Heinsberg- Schleiden nördlich von Aachen (57m). Alle Stationen liegen im Binnenland, sind im Mittel also etwa gleich hoch gelegen (>20 und <95m) und weisen fast die gleiche geografische Breite auf.
Nun könnte eingewendet werden, es handele sich dabei um eine nordrheinische Besonderheit. Aber in dem rückständigen, von Agrarwirtschaft, sinkender Einwohnerzahl und weitgehend fehlender Großindustrie geprägten Kleinstaat Thüringen, wo es auch viel weniger Großstädte, darunter keine mit auch nur annähernd 500000 Einwohnern, gibt, von denen Erfurt- Bindersleben und Gera- Leumnitz außerdem wegen ihrer relativ großen Höhenlage >300 m schwer vergleichbar sind, zeigt sich für die gut 100000 Einwohner zählende Stadt Jena ein ähnliches Bild (Quelle: DWD, Witterungsreport):
 
Abb . 9: Vergleich der Jahresmitteltemperaturen der inmitten der Großstadt gelegenen Station Jena- Sternwarte (Saale)155m (Orangerote, dicke Linie) mit kleinstädtisch- ländlichen Nachbar- Stationen ähnlicher Höhenlage (Hellbau Bad Kösen/Saale 136m in Sachsen- Anhalt, nahe Thüringer Landesgrenze, Braun Artern/Unstrut 164m, Blaugrün Tegkwitz 193m (Altenburger Land). Anmerkung: Die Großstadt Jena ist mit 923 EW/km² deutlich weniger dicht besiedelt als die Ruhrgebietsstädte, was die etwas geringeren Temperaturdifferenzen zum Umland erklärt.
Der städtische Wärmeinsel- Effekt zeigt sich auch am gehäuften Auftreten Wärme liebender (thermophiler) Pflanzenarten in den Städten (KÄMPFE 1998).
Unter vergleichbaren Bedingungen sind also Stationen in der Nähe von oder gar in dicht besiedelten Regionen um 0,4 bis 0,8 K wärmer als ländlich- kleinstädtische Regionen- und dabei handelt es sich nur um zusätzliche, „großstadtbedingte“ Erwärmungseffekte! „Denkt“ man sich den baulichen und siedlungsbedingten WI- Effekt, der auch in ländlichen Räumen und kleineren Städten auftritt, noch weg, so wird klar, dass im Zuge der seit Jahrhunderten fortschreitenden Bebauung und Besiedlung in Deutschland, flächenhafte Erwärmungseffekte von deutlich über 1K aufgetreten sind, die übrigens auch den aktuellen, vor gut 10 Jahren begonnenen Temperaturrückgang erheblich abbremsen. 
In Gebieten ohne Bevölkerungszunahme bewirken also geänderte Landnutzung (Melioration) und zunehmende Bodenversiegelungen ebenfalls Erwärmungseffekte. Diese können im Einzelfall sogar sinkende Einwohnerzahlen überkompensieren, so in Ostdeutschland. Denn vor allem in Ostdeutschland nahm die Bautätigkeit seit 1990 stark zu, woraus sich die Temperaturanstiege der untersuchten ostdeutschen Stationen Erfurt und Potsdam teilweise erklären lassen, während die wachsende touristische Erschließung die Erwärmung der Stationen Brocken und Helgoland beschleunigte.
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass Offenbach überdurchschnittlich vom WI- Effekt profitierte, zumal es im Rhein- Main- Gebiet außer steigenden Einwohnerzahlen ebenfalls eine rege Großbautätigkeit seit 1980 gab, man denke nur an den mehrfachen Ausbau des nahen Frankfurter Flughafens.
Zum Abschluss dieses ersten Themenschwerpunktes soll anhand der Stationen Brocken und Offenbach sowie des Deutschland- Mittels (Datenquelle: Wikipedia) gezeigt werden, dass der neuzeitliche Temperaturanstieg beendet ist:

Abb. 10: Erst Anstieg, dann Stagnation oder geringer Rückgang am Beispiel von Offenbach (Gelb, oben), Deutschlandmittel (Olivgrün, Mitte) und Brocken (Blau, unten).
Noch deutlicher zeigt sich der wieder beginnende Abwärtstrend anhand der Wintertemperaturen:

Abb. 11: Schlechte Zeiten- Gute Zeiten- Schlechte Zeiten: Wintertemperaturen von Helgoland (oben), Erfurt (Mitte) und Brocken (unten). Nach relativ vielen Kältewintern bis 1987 und den guten Zeiten der späten 1980er und 1990er Jahre mit häufiger milden Wintern, nur unterbrochen durch die Eiswinter 1995/96 und 96/97, verschlechterte sich das Klima etwa seit der Jahrtausendwende wieder- der letzte, noch durchgängig milde Winter war 2007/08; danach blieb kein Winter mehr ohne wenigstens eine strenge Kältewelle; auch der aktuelle, unerwartet kalte, schneereiche Januar 2013 (hier noch nicht erfasst) passt in diesen Trend.
Alle übrigen hier untersuchten Stationen zeigen ein ähnliches Trendverhalten, und auch der Lineartrend des Deutschland- Mittels zeigt eine fallende Tendenz:

Abb. 12: Das „Klimaoptimum“ wurde bezüglich der Wintertemperaturen schon 1988 bis 1990 erreicht; seitdem werden die Winter in Deutschland tendenziell wieder kälter. Einzelne, extrem milde Winter kann es auch in Abkühlungsphasen geben (2006/07 und 2007/08). 
Die Aussage, dass wir uns bereits in einer Abkühlungsphase befinden, bekräftigt die folgende Abbildung:

Abb. 13: Während zur Zeit des Klimaoptimums der späten 1980er bis frühen 2000er Jahre in Berlin- Dahlem nur selten extrem niedrige absolute Jahresminima beobachtet wurden, traten sie in den letzten Jahren gehäuft auf; aber die Jahresmaxima sind hingegen kaum gestiegen. Die Differenz zwischen Maxima und Minima, aber auch die Schwankungsbreite zwischen den einzelnen Jahren, hat sich deutlich erhöht- typisch für den Beginn einer Abkühlungsperiode. Bemerkenswert ist vor allem, dass weder der WI- Effekt noch der angebliche „Treibhauseffekt“ durch CO2 den Rückgang der Minima an dieser Großstadt- Station verhindern konnten.
Über die möglichen Ursachen hierfür werden wir im dritten Themenschwerpunkt ausführlich berichten. Auch für die vergleichsweise geringere Temperaturzunahme in Nürnberg gibt es eine plausible Erklärung, die im zweiten Themenschwerpunkt gegeben wird.
Verfasst und zusammengestellt (2013) von
Stefan Kämpfe, Weimar
Josef Kowatsch, Hüttlingen
Raimund Leistenschneider, EIKE
Literatur- und Informationsquellen für Teil 1
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Frankfurt/Rhein-Main – Aspekte der
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http://.wikipedia.org/ Zeitreihe der Lufttemperatur in Deutschland und Angaben zu den Einwohnerzahlen und Einwohnerdichten der untersuchten Ortschaften